油田小口徑管道內防腐層補口技術探討

劉碧峰，劉博洋，徐 濤

(1.大港油田公司第三采油廠,河北 滄州 061023；2.大港油田公司第六采油廠,河北 滄州 061023)

1 技術背景

隨著油氣田開發(fā)時間的延長、原油水含量的升高及各種生產藥劑的廣泛應用，油氣水管道的腐蝕越來越嚴重。特別是大港南部油田，處于沿海高鹽高含水地帶，土壤腐蝕性強；另外，原油物性差，屬于典型的高凝高黏油田。為了減小管道集輸阻力，大部分油井采用雙管摻水伴熱生產，管網輸送介質溫度高，普遍在45～75 ℃，同時，地層產出液中Cl-，CO2，H2S等腐蝕性介質含量較高，造成鋼質管道腐蝕結垢極其嚴重，帶來了大量安全環(huán)保問題[1]。為了降低管道的腐蝕泄漏，對所有新建的生產管道內外全部涂裝環(huán)氧類重防腐涂料，取得了明顯的效果。目前，1 753 km 管道因腐蝕導致的泄漏次數(shù)由每年6 000次降到每年 1 550 次；但是，仍有部分重防腐涂裝后的管道投產后僅使用6～12個月就開始出現(xiàn)腐蝕泄漏。

2 問題分析

對短時間內又出現(xiàn)腐蝕泄漏的管道進行調研分析，發(fā)現(xiàn)以往采用的3PE外防腐層+環(huán)氧類(熔結環(huán)氧粉末、液態(tài)環(huán)氧涂料)內防腐層技術是有效的，正常情況下能夠很好地解決外部土壤及內部介質對管道的腐蝕，出現(xiàn)腐蝕泄漏的地方均為防腐蝕層質量問題或防腐蝕層缺損所導致。對于外防腐蝕層缺損，可以在施工安裝或者后期運行時使用液態(tài)環(huán)氧涂料、聚乙烯冷纏帶或者黏彈體膠帶實現(xiàn)外補口修補。內防腐蝕層缺損就很難修補，特別是油氣田上游生產管道，絕大部分都是DN200以下的小口徑管道，雖然管道本體采取了3PE外防腐蝕+熔結環(huán)氧粉末內防腐蝕措施，但是，由于沒有較好的內補口技術，管道現(xiàn)場焊接安裝過程中，破壞了原有的內防腐蝕涂層，從而導致短時間內腐蝕泄漏。因此,內防腐蝕層補口問題已成為影響管道內壁涂裝技術發(fā)展的主要瓶頸[2]。

3 內補口技術現(xiàn)狀

由于上游生產系統(tǒng)管道口徑普遍偏小，內防腐管道現(xiàn)場內補口技術的滯后，導致一般的涂層預制防腐蝕技術應用受到限制[3]。

3.1 內補口機技術

隨著自動化技術的進步，管道內補口機也逐步發(fā)展和完善，越來越智能化、小型化，現(xiàn)在的內補口機一般由行走、定位、除銹、供料、旋噴、控制和自檢等環(huán)節(jié)組成，大口徑( DN200以上)的鋼質管線內防腐層焊口補口可以采用內補口機器人，對焊口內壁進行除銹、噴涂等防腐蝕補口作業(yè)，見圖1。在管道對口焊接安裝完成后，對焊縫部位實施防腐層內補口。補口時,首先要對組對焊接的管道內壁進行清掃、焊口定位并進行除銹達到Sa2級以上，然后，將高壓無氣噴涂機送到管道內壁焊縫處進行噴涂作業(yè),最后再進行檢測。

圖1 內補口機

然而,由于小口徑管道內腔空間狹小，內補口機組成環(huán)節(jié)多，導致內補口機在小口徑管道上應用受限。

3.2 內襯滑套技術

3.2.1 技術特點

內襯滑套技術是在管道焊口位置內部安裝耐腐蝕、耐高溫滑套，管道對口焊接后, 處于焊縫位置的滑套能夠防止輸送介質進入焊縫周圍，實現(xiàn)防腐層內補口。目前應用的滑套主要有UB滑套、不銹鋼滑套等。這種滑套內補口技術結構簡單，價格不貴，但是，由于滑套均有一定厚度，為了保證管道通徑的一致性，需要在安裝時對管端采取擴徑、整形、密封及涂膠等技術措施。

3.2.2 UB滑套的缺點

(1)管道施工安裝過程中，極易損傷O型橡膠密封圈。

(2)管端擴徑整形的差異會造成介質浸入焊口內壁區(qū)域。

(3)焊接熱影響可能會造成O型橡膠密封圈損壞或老化失效。

(4)現(xiàn)場施工安裝作業(yè)復雜。

3.2.3 不銹鋼滑套的缺點

(1)焊接電流、焊接速度及焊材選擇不當有會造成不銹鋼滑套被焊穿，焊縫射線探傷難以確認焊縫質量。

(2)管端擴孔、不銹鋼滑套加工精度要求高。

(3)密封材料存在老化風險。

(4)現(xiàn)場安裝施工作業(yè)復雜，需要專用的推進工具。

3.3 耐蝕材料焊接補口技術

耐蝕材料焊接補口技術是在管道兩端預制耐腐蝕的材料(不銹鋼、陶瓷等)，現(xiàn)場安裝時只需要將兩根管子對口焊接，而不再需要采取其他內防腐蝕補口措施，即可實現(xiàn)管道內防腐層連續(xù)完整的技術。按照耐蝕材料(不銹鋼等)預制方式的不同，又可分為管端外接不銹鋼短節(jié)法、管端內襯不銹鋼短節(jié)法、管端不銹鋼堆焊法。

3.3.1 管端外接不銹鋼短節(jié)法

預先在管道的兩頭焊接2個不銹鋼環(huán)，不銹鋼環(huán)的厚度根據設計壓力選取，不銹鋼環(huán)的寬度要根據不同管壁厚度、管徑、焊接時的熱影響區(qū)范圍寬度以及內防腐涂層耐熱能力確定。經過試驗和測算，對于耐溫100 ℃熔結環(huán)氧粉末防腐層來說，規(guī)格為φ114 mm×6 mm至φ219 mm×14 mm的管道，一般熱影響區(qū)不超過100 mm，因此，不銹鋼環(huán)長度可選100～150 mm;然后，再進行管道內、外防腐蝕涂層的涂敷。內、外防腐蝕涂層務必要覆蓋不銹鋼環(huán)與管體之間的焊縫，以免發(fā)生不同鋼材之間電位差導致的電化學腐蝕，現(xiàn)場連接時，只需要用不銹鋼焊條將兩根管端的不銹鋼環(huán)焊在一起即可(見圖2和圖3)。該方法的優(yōu)點是簡單、有效地解決了管道內防腐蝕層在焊縫附近的內補口難題。

圖2 管端外接不銹鋼短節(jié)

圖3 管端外接不銹鋼短節(jié)焊接示意

不銹鋼短節(jié)法存在以下缺點：

(1)由于不銹鋼和低碳鋼存在較大電位差，當覆蓋異種金屬界面焊道的防腐蝕涂層失效后，在導電腐蝕介質中會有電化學腐蝕發(fā)生。

(2)管端外接不銹鋼短節(jié)會增加管道成本，特別是彎頭、三通及長度小于1.0 m的短管如果再外接不銹鋼短節(jié)的話，價格比直接采用不銹鋼彎頭、三通和短管還要貴。

(3)相對于普通管道，施工難度較大。

3.3.2 管端內襯不銹鋼短節(jié)法

預先在管道的兩頭內襯焊接2個薄壁不銹鋼環(huán)，不銹鋼環(huán)的厚度既要滿足焊接施工要求，又要滿足管道通徑一致性要求，一般選取1～3 mm，不銹鋼環(huán)的寬度與上述外接不銹鋼短節(jié)相當；然后進行管道內、外防腐蝕涂層的涂敷，內防腐蝕涂層務必要覆蓋不銹鋼環(huán)與管體之間的焊縫，以免不同鋼材之間電位差導致的電化學腐蝕發(fā)生?，F(xiàn)場連接時，需要用不銹鋼焊條將兩根管端內襯的不銹鋼環(huán)焊在一起，再用普通焊條充填、蓋面(見圖4和圖5)。

圖4 管端內襯不銹鋼短節(jié)

圖5 管端內襯不銹鋼短節(jié)焊接示意

該方法的優(yōu)點是簡單、有效，但也存在以下缺點：

(1)由于不銹鋼和碳鋼存在較大電位差，當覆蓋異種金屬界面焊道的防腐蝕涂層失效后，在導電腐蝕介質中易發(fā)生電化學腐蝕。

(2)由于此方法管端內襯的不銹鋼環(huán)與基管之間屬于機械復合，存在焊接應力及熱膨脹系數(shù)的差異，兩者之間存在縫隙，一旦腐蝕介質浸入雙金屬夾層內，極易引起劇烈的電化學腐蝕。

(3)在兩根管道現(xiàn)場對焊時，由于內襯不銹鋼環(huán)壁厚較薄、在充填焊接過程中，控制不好焊接參數(shù)會導致碳鋼中的金屬元素混入不銹鋼中，從而影響其耐腐蝕性，施工難度大。

3.3.3 管端不銹鋼堆焊法

管端內壁堆焊方法的優(yōu)點在于耐蝕合金堆焊層與基管之間屬于冶金結合，與管端內襯不銹鋼短節(jié)相比，不存在介質浸入雙金屬夾層的可能。堆焊層的耐蝕合金應根據輸送介質的腐蝕性能、堆焊結構的力學性能、涂層性能及管道對口焊接性能來選擇，可選擇奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼及鎳基合金等。堆焊層厚度既要滿足其力學和化學性能要求，又要滿足管道通徑一致性要求，一般選取2～3 mm。堆焊層的寬度由管道對焊熱影響區(qū)寬度及內防腐材料耐熱能力決定。堆焊后再進行管道內、外防腐蝕涂層的涂敷，內防腐涂層務必要覆蓋不銹鋼堆焊與基管之間的起始焊縫，以免不同鋼材之間電位差導致的電化學腐蝕發(fā)生(見圖6和圖7)?，F(xiàn)場連接時，需要先將兩根管端堆焊的不銹鋼層焊在一起，再用普通焊條充填、蓋面。相對于其他內補口技術，管端內壁堆焊方法有其明顯的優(yōu)勢：

圖6 管端堆焊技術內補口結構示意

圖7 管端堆焊技術焊接示意

(1)單根鋼管內外涂(覆)層和端頭內堆焊均在工廠預制完成，質量可檢、可控。

(2)管端堆焊層與管體之間實現(xiàn)冶金熔合、無縫連接，實現(xiàn)內表面平滑過渡。

(3)可以根據輸送介質選擇耐蝕合金焊材，包括鎳基合金、雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼等。

(4)鋼管內壁管體以及堆焊層的過渡區(qū)由環(huán)氧粉末一次成型涂覆，焊接熱影響區(qū)由耐蝕合金起到防腐蝕作用，使得焊縫區(qū)域與堆焊層、內防腐蝕層形成連續(xù)的防腐蝕層，因此現(xiàn)場焊接完成后只需要做外補口，無需進行內補口防腐蝕作業(yè)，施工簡單快速。

該方法近年來得到了較多的應用，是目前較可靠的一種工廠化預制內補口方法[3]。

4 結 語

在現(xiàn)階段防腐蝕技術條件下，性能優(yōu)異的重防腐涂料能夠抑制鋼質管道的腐蝕問題。只要把住施工質量關，重防腐蝕層的粘接強度、抗沖擊強度、耐溫性能、耐久性及耐腐蝕性均表現(xiàn)優(yōu)異，關鍵在于內、外防腐層的補口性能能否滿足耐久、密封、簡單、實用的要求，特別是油氣田上游生產系統(tǒng)大量應用的小口徑管道內防腐層補口技術一直是困擾業(yè)界的一個技術難題。

目前，各種小口徑管道內防腐層補口技術均有各自的技術特點。根據現(xiàn)場應用經驗，管端不銹鋼堆焊內補口技術針對小口徑管道內防腐層補口具有較高的性價比，無論從經濟性、實用性以及可靠性方面均比較實用，建議推廣應用。